设计变量.ppt
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第三章第三章多组分精馏和特殊精馏多组分精馏和特殊精馏3.1设计变量设计变量3.2多组分精馏过程多组分精馏过程3.3萃取精馏和共沸精馏萃取精馏和共沸精馏一、多组分分离过程的特点和意义原理与两组分的原理相同（只是组分数有变化），过程变复杂通过过程分析（定性）明确内部流率、温度、浓度的变化、分布特点是什么样？
加深对多组分多级分离过程的了解选择分离过程强化分离过程二、多组分多级的计算方法l简捷法：
用于基础数据缺乏或不够准确；对于初步设计，为严格计算提供初值；对于初步设计中，多种工况的初步比较。
l严格法多组分方程数增加，变量数增加，是否唯一可解，要看设计变量。
分离过程分离过程计算包括计算包括设计型问题设计型问题操作型问题操作型问题举例举例说明说明1、一股进料的双组份普通精馏塔一般容易指定：
、一股进料的双组份普通精馏塔一般容易指定：
与进料相关的变量：
与进料相关的变量：
流率、温度（进料热状况）、组成流率、温度（进料热状况）、组成塔压塔压再指定溜出液（或釜液）再指定溜出液（或釜液）浓度、回收率、回流比、适宜进料位置浓度、回收率、回流比、适宜进料位置2、复杂分离系统不容易指定、复杂分离系统不容易指定都涉及到设计变量的确定问题都涉及到设计变量的确定问题指定的设计变量多或少都不能指定的设计变量多或少都不能完成计算任务完成计算任务精馏段塔板数精馏段塔板数提馏段塔板数提馏段塔板数冷凝器负荷冷凝器负荷再沸器负荷再沸器负荷共共8个变量个变量可计算出可计算出3.1设计变量设计变量3.1.1基本概念基本概念设计变量：
只要确定几个变量，其它的物理量就有了设计变量：
只要确定几个变量，其它的物理量就有了相应值，需要确定的几个变量就称为设计变量。
相应值，需要确定的几个变量就称为设计变量。
一、公式一、公式式中：
式中：
设计变量（设计者规定的独立变量数）设计变量（设计者规定的独立变量数）各独立变量之间可以列出的方程数和给定条件各独立变量之间可以列出的方程数和给定条件出入系统的各股物流的独立变量数，以及系统与环境出入系统的各股物流的独立变量数，以及系统与环境的能量交换。
的能量交换。
式中：
式中：
可调设计变量（根据工艺要求确定）可调设计变量（根据工艺要求确定）固定设计变量固定设计变量举例举例:
3.1.2计算计算单相物流：
单相物流：
互成平衡两相：
互成平衡两相：
1、独立变量、独立变量物流物流热和功（与外界交换等）热和功（与外界交换等）自由度自由度f：
强度性质的变量，如：
强度性质的变量，如容积性质的变量，如容积性质的变量，如物流物流n（c+2）n为物流数为物流数热和功（与外界交换等）热和功（与外界交换等）总结：
不管单相物流还是总结：
不管单相物流还是互成平衡的两相物流都需互成平衡的两相物流都需用用c+2个独立变量来描述个独立变量来描述R:
2、约束数、约束数物料衡算物料衡算能量衡算能量衡算相平衡相平衡化学平衡化学平衡其它等式其它等式3、设计变量、设计变量4、求、求进料条件进料条件:
T，p，W，xi压力（与进料不同）压力（与进料不同）固定设计变量固定设计变量：
进料物流的那些变量（进料的组成和流量等）以及系统的压力。
可调设计变量可调设计变量：
由设计者确定的变量，3.1.3单元的设计变量数的确定单元的设计变量数的确定1、全凝器、全凝器Q单元分析单元分析二股出料物流二股出料物流一股进料物流一股进料物流与外界有热量交换与外界有热量交换3*（c+2）13c+7c12c+3c+2物流物流热功热功物衡物衡热衡热衡其它等式其它等式）3（）73c（=+-+=-=c+42cNNNeceveic+21c+3进料物流进料物流压力压力如下示：
如下示：
一股进料一股进料p，T，F，c-1个组成个组成体系压力，共体系压力，共c+3个。
个。
操作型：
传热长度操作型：
传热长度（或或传热面传热面）设计型：
热负荷量设计型：
热负荷量相平衡关系相平衡关系c个个,汽液汽液相温度压力相等相温度压力相等Q单元分析单元分析四股物流四股物流二股进料物流二股进料物流4*（c+2）4c+8c12c+3c+2物流物流热功热功物衡物衡热衡热衡其它等式其它等式2、绝热操、绝热操作的简单作的简单平衡级平衡级2c+5进料物流进料物流2（c+2）系统压力系统压力1两股进料两股进料p，T，F，2（c-1）个组成，体系压力，个组成，体系压力，共共2c+5个。
个。
相平衡关系相平衡关系c个个,汽液汽液相温度压力相等相温度压力相等可调设计变量均与组分数无关，可调设计变量均与组分数无关，且值很小，为且值很小，为11或或00。
2.1.4装置的设计变量一、由单元设计变量确定：
uiN重复使用一种为1前面出等前面出等于后面进于后面进例例4.简单吸收塔（简单吸收塔（N块理论板串级）块理论板串级）VN1NLN+1L1V0吸收塔设计变量：
吸收塔设计变量：
指定为理论板数指定为理论板数或关键组分吸收率或关键组分吸收率例例5.简单精馏塔简单精馏塔查表2-1：
2MM+1M+2NFDW=L110c+N+27c+4再沸器再沸器2c+（M-1）+5（M-1）板平衡板平衡串级串级3c+7进料板进料板2c+（N-M-1）+5N-（M+1）板平板平衡串级衡串级c+4回流分配器回流分配器c+4全凝器全凝器单元单元9股单元物流数；股单元物流数；进料进料c+2每级压力每级压力（包括再沸器）（包括再沸器）N全凝器压力全凝器压力1回流分配器压力回流分配器压力1合计合计c+N+45合计合计11馏出液流率（馏出液流率（D/F）1进料位置进料位置1理论板数理论板数1回流温度回流温度）（DLN1+二、用郭氏法确定设计变量数用郭氏法确定设计变量数1、确定
（1）进料n（c+2）n为进料物流数
（2）压力等级数：
装置内有几个不同的压力,设有m个压力2、确定:
将串级单元的数目、分配器的数目、侧线采出单元的数目以及传热单元的数目相加，便是整个装置的可调设计变量数。
=+uiN例六：
有一个侧线采出精馏塔：
再沸器串级单元加料板进料串级单元采出板侧线串级单元全凝器回流分配器馏出液釜液侧线采出1串级单元3压力1进料c+2全凝器1再沸器1回流分配器1第第3周第周第2次课次课2007年年9月月27日日总结：
每增加一个侧线采出，可调设计变量比无侧线采出多2个变量（侧线采出率和采出位置或增加的串级单元理论板数）思考：
可调设计变量对于设计型和操作型分别指定哪些变量？
3.2.1多组分精馏过程分析一、关键组分1.关键组分的引出一般精馏：
对于设计型计算，5个可调设计变量为：
5=uaN3.2多组分精馏多组分精馏i、j为在精馏中起关键作用的组为在精馏中起关键作用的组分，称分，称关键组分（规定分离要求）。
关键组分（规定分离要求）。
i：
挥发度大的组分，称：
挥发度大的组分，称轻关键组轻关键组分分，表示：
，表示：
LK，下标：
，下标：
lj：
挥发度小的组分，称：
挥发度小的组分，称重关重关键组键组分分，表示：
，表示：
HK，下标：
，下标：
h精馏塔的任务：
精馏塔的任务：
LK尽量多的进入塔顶馏出液；HK尽量多的进入塔釜釜液。
对于精馏中的对于精馏中的非关键组分非关键组分：
设为非关键组分i对HK的相对挥相对挥发度。
发度。
2.关键组分的特点关键组分的特点LK和和HK形成分离界线，且形成分离界线，且越小，越小，分离越难。
分离越难。
精馏中：
精馏中：
LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制；绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制；HK绝大多数在塔釜出现，在顶中量严格控制。
绝大多数在塔釜出现，在顶中量严格控制。
只有无只有无LNK，且，且较大，塔顶可采出纯较大，塔顶可采出纯LK；只有无只有无HNK，且，且较大，塔釜可采出纯较大，塔釜可采出纯HK。
hlaahlaahlaa3.关键组分的指定方法关键组分的指定方法指定回收率指定回收率指定控制量指定控制量hWlDjjjj；注意：
同一组分，规定了一端的回收率，另一端的量已确定。
不能重复！
4.关键组分的指定原则关键组分的指定原则由工艺要求决定由工艺要求决定例：
例：
ABCD（按挥发度依次减少排列）（按挥发度依次减少排列）混合物混合物分离分离工艺要求按工艺要求按AB与与CD分开：
分开：
则：
则：
B为为LK；C为为HK工艺要求先分出工艺要求先分出A：
则：
则：
A为为LK；B为为HK二、设计计算多组分精馏过程的复杂性1.确定后，顶釜组成未确定物料衡算确定顶釜组成jWDxix,二种方法二种方法（分配组分，非分配组分分配组分，非分配组分）清晰分割法清晰分割法假设假设LNK全部从塔顶采出；全部从塔顶采出；假设假设HNK全部从塔釜采出。
全部从塔釜采出。
非清晰分割法非清晰分割法各组分在顶、釜都有可能存在。
各组分在顶、釜都有可能存在。
2.流量分布、温度分布、浓度分布复杂流量分布、温度分布、浓度分布复杂流量分布流量分布分子汽化潜热相近，可视为分子汽化潜热相近，可视为恒摩尔流恒摩尔流例：
苯例：
苯甲苯物系甲苯物系（图（图31）苯苯甲苯甲苯异丙苯物系异丙苯物系（图（图32）分子汽化潜热不相近，分子汽化潜热不相近，V、L有变化，有变化，但但V/L变化不大变化不大温度分布温度分布泡点与组成密切相关，温度分布接近组泡点与组成密切相关，温度分布接近组成分布形状成分布形状。
浓度分布浓度分布1.进料板附近各组分浓度变化较大，原因是进料板附近各组分浓度变化较大，原因是引入的组分包含全部组成。
引入的组分包含全部组成。
2.对非关键组分对非关键组分精馏段：
精馏段：
HNK迅速消失；迅速消失；LNK以接近于常数浓度在进料板以上各以接近于常数浓度在进料板以上各板中出现，接近顶部急剧增加，在出料板中出现，接近顶部急剧增加，在出料液中达到最高。
液中达到最高。
提馏段：
提馏段：
LNK迅速消失；迅速消失；HNK在再沸器中浓度最高，从釜向上几在再沸器中浓度最高，从釜向上几板下降较大，然后变化不大，一直延伸到板下降较大，然后变化不大，一直延伸到进料板。
进料板。
3.关键组分关键组分变化复杂变化复杂若无若无LNK时：
时：
HK分别在二段出现两个最高点，分别在二段出现两个最高点，LK表现象表现象LNK。
若无若无HNK时：
时：
LK分别在二段出现两个最高点，分别在二段出现两个最高点，HK表现象表现象HNK。
有有LNK、HNK，且都不同时出现在顶、釜时：
，且都不同时出现在顶、釜时：
LK在精馏段出现一个最大值，然后降到所规定在精馏段出现一个最大值，然后降到所规定的浓度；的浓度；HK在提馏段出现一个最大值，然后降到所规的在提馏段出现一个最大值，然后降到所规的浓度。
浓度。
4.影响影响L、V的几个因素的几个因素通常精馏塔自下而上物料的分子量和摩尔汽化潜通常精馏塔自下而上物料的分子量和摩尔汽化潜热渐降，则沿塔向上的摩尔流率有增加的趋势。
热渐降，则沿塔向上的摩尔流率有增加的趋势。
沿塔向上，温度渐降，蒸汽上升中，被冷却，若沿塔向上，温度渐降，蒸汽上升中，被冷却，若冷却靠液体汽化，则导致向上的流量增加。
冷却靠液体汽化，则导致向上的流量增加。
液体沿塔向下流动是必须被加热，若加热靠蒸汽液体沿塔向下流动是必须被加热，若加热靠蒸汽冷凝，将导致向下的流量的增加。
冷凝，将导致向下的流量的增加。
流量变化是流量变化是L与与V同方向变化，故同方向变化，故L/V变化很小，变化很小，所以对分离影响很小。
所以对分离影响很小。
3.2.2多组分精馏的简捷算法多组分精馏的简捷算法简捷法计算只解决分离过程中平衡级数、简捷法计算只解决分离过程中平衡级数、进料与产品组成间的关系，而不涉及级间的进料与产品组成间的关系，而不涉及级间的温度与组成分布。
温度与组成分布。
简化简化最少平衡级数最少平衡级数最小回流比最小回流比确定回流比确定回流比平衡级数平衡级数1、全塔物料衡算全塔物料衡算对总物料：
对于组分：
2、精馏段操作线方程、精馏段操作线方程3、提馏段操作线方程、提馏段操作线方程对总物料：
对易挥发组分：
提馏段操作线方程：
4、清晰分割物料衡算、清晰分割物料衡算轻组分：
wi=0,di=fi重组分：
di=0,w
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